JP2003075404A - Gas sensor - Google Patents

Gas sensor

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JP2003075404A
JP2003075404A JP2001265756A JP2001265756A JP2003075404A JP 2003075404 A JP2003075404 A JP 2003075404A JP 2001265756 A JP2001265756 A JP 2001265756A JP 2001265756 A JP2001265756 A JP 2001265756A JP 2003075404 A JP2003075404 A JP 2003075404A
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JP
Japan
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electrode
gas
gas sensor
concentration
hydrogen
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Pending
Application number
JP2001265756A
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Japanese (ja)
Inventor
Tomonori Kondo
智紀 近藤
Shoji Kitanoya
昇治 北野谷
Norihiko Nadanami
紀彦 灘浪
Masaya Watanabe
昌哉 渡辺
Noboru Ishida
昇 石田
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Niterra Co Ltd
Original Assignee
NGK Spark Plug Co Ltd
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Publication date
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gas sensor by which the concentration of a gas such as the concentration of e.g. hydrogen gas or the like can be measured precisely. SOLUTION: In the hydrogen gas sensor, a first electrode 3 is installed on one face of a proton conduction layer 1, a second electrode 5 and a reference electrode 7 are installed on the other face of the layer 1 so as to face the first electrode 3, and they are supported in a support 9 composed of a first support 9a and a second support 9b. A diffusion-controlled part 19 by which an ambient atmosphere communicates with a first recess 11a (consequently, the first electrode 3) is installed at the first support 9a in the support 9. That is to say, the part 19 is a small hole which introduces a fuel gas (consequently, the contained hydrogen gas) as a gas to be measured to the side of the first electrode 3 and which controls its diffusion, and it is installed so as to be situated in a direction separated from the reference electrode 7 from the end part T on the side of the reference electrode 7 of the second electrode 5.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば燃料電池の
燃料ガス中の水素ガス濃度を測定する水素ガスセンサ等
のガスセンサに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gas sensor such as a hydrogen gas sensor for measuring the hydrogen gas concentration in the fuel gas of a fuel cell.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、地球規模の環境悪化が問題視され
るなかで、高効率でクリーンな動力源として、燃料電池
の研究が盛んに行われている。その中で、低温作動、高
出力密度等の利点により、自動車用や家庭用として固体
高分子型燃料電池(PEFC)が期待されている。
2. Description of the Related Art In recent years, fuel cells have been extensively researched as a highly efficient and clean power source amid environmental problems on a global scale. Among them, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is expected for automobiles and households due to advantages such as low temperature operation and high power density.

【0003】この燃料電池の場合、燃料ガスとして、改
質ガスの使用が有望であるが、より効率等を向上させる
為に、改質ガス中の水素を直接検知できるセンサが必要
になってくる。上記センサは、水素リッチの雰囲気での
測定になる為、作動温度が低いこと(約100℃以下)
が必要である。
In the case of this fuel cell, it is promising to use a reformed gas as the fuel gas, but in order to improve efficiency and the like, a sensor which can directly detect hydrogen in the reformed gas is required. . The above sensor has a low operating temperature (less than about 100 ° C) because it is measured in a hydrogen-rich atmosphere.
is necessary.

【0004】このような低温作動型センサとして、例え
ばEP11103807A2号の公報では、図4に示す
様に、高分子電解質からなるプロトン伝導層P1を用い
るとともに、プロトン伝導層P1の表面に、第1電極P
2、第2電極P3及び参照電極P4を設置した構造のセ
ンサが提案されている。
As such a low temperature operation type sensor, for example, in the publication of EP11103807A2, as shown in FIG. 4, a proton conductive layer P1 made of a polymer electrolyte is used, and the first electrode is formed on the surface of the proton conductive layer P1. P
2, a sensor having a structure in which the second electrode P3 and the reference electrode P4 are installed is proposed.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述したセン
サでは、プロトン伝導層P1を挟んで第2電極P3を投
影した部分以外にも第1電極P2が配設されているた
め、即ち、第1電極P2は、第2電極P3だけでなくそ
れ以外の参照電極P4にも対向して配置されているた
め、第1電極P2から第2電極P3に水素(詳しくは水
素イオンであるプロトン:H+)をポンピングする際
に、水素がポンピングされ難い部分(即ち水素濃度が高
い部分:図4のメッシュの部分)が存在する。
However, in the above-mentioned sensor, the first electrode P2 is disposed in a portion other than the portion where the second electrode P3 is projected with the proton conducting layer P1 sandwiched, that is, the first electrode P2. Since the electrode P2 is arranged not only to face the second electrode P3 but also to the reference electrode P4 other than the second electrode P3, hydrogen (more specifically, protons that are hydrogen ions: H +) is transferred from the first electrode P2 to the second electrode P3. 2), there is a portion where hydrogen is difficult to be pumped (that is, a portion having a high hydrogen concentration: a portion of the mesh in FIG. 4).

【0006】しかも、このセンサでは、第1電極P2と
参照電極P4を一定の電位に制御しているが、その場合
には、制御電位は、第1電極P2上の平均的な水素濃度
と参照電極P4上での水素濃度によって規定される。従
って、このセンサのように、水素がポンピングされ難い
部分が存在すると、その部分の濃度が高い状態となって
しまうため、平均的な水素濃度を低く制御しようとする
と、通常より多くのポンピングが実施されて、第1電極
P2上にて局所的に非常に水素濃度が低い部分が存在し
てしまう。
Moreover, in this sensor, the first electrode P2 and the reference electrode P4 are controlled to a constant potential. In that case, the control potential is the average hydrogen concentration on the first electrode P2 and the reference. It is defined by the hydrogen concentration on the electrode P4. Therefore, if there is a portion where hydrogen is hard to be pumped like this sensor, the concentration of that portion will be high, so if you try to control the average hydrogen concentration to be low, more pumping than usual will be performed. As a result, a portion having a very low hydrogen concentration locally exists on the first electrode P2.

【0007】また、前記センサでは、前記図4に示す様
に、拡散律速部P5の一部が第2電極P3の参照電極P
4側の端より右側に存在するが、拡散律速部P5が第2
電極P3の参照電極P4側の端より右側に存在すると、
水素がポンピングされ難い部分に、水素リッチの周囲雰
囲気側から高い濃度の水素が導入されて拡散してしま
い、このため、平均的な水素濃度を低く制御しようとす
ると、前記と同様に、第1電極P2上にて局所的に水素
濃度が低い部分が存在してしまう。
Further, in the sensor, as shown in FIG. 4, a part of the diffusion rate controlling portion P5 is the reference electrode P of the second electrode P3.
It exists on the right side of the end on the 4th side, but the diffusion-controlling part P5 is the second
If it exists on the right side of the end of the electrode P3 on the reference electrode P4 side,
At a portion where hydrogen is difficult to be pumped, a high concentration of hydrogen is introduced from the hydrogen-rich surrounding atmosphere side and diffuses. Therefore, if the average hydrogen concentration is controlled to be low, the A portion where the hydrogen concentration is low locally exists on the electrode P2.

【0008】その結果、水素濃度が局所的に低い部分で
は、メタノール等の解離等が起こることがあるため、第
1電極P2と第2電極P3との間に流れる電流値が大き
くなり、水素ガス濃度測定に影響を及ぼし、正確な水素
濃度の測定が出来ないという問題が生じる。
As a result, in a portion where the hydrogen concentration is locally low, dissociation of methanol or the like may occur, so that the current value flowing between the first electrode P2 and the second electrode P3 becomes large, and the hydrogen gas This affects the concentration measurement and causes a problem that the hydrogen concentration cannot be measured accurately.

【0009】本発明は、前記課題を解決するためになさ
れたものであり、正確に例えば水素ガス濃度等のガス濃
度を測定することができるガスセンサを提供することを
目的とする。
The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a gas sensor capable of accurately measuring a gas concentration such as a hydrogen gas concentration.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段及び発明の効果】(1)請
求項1の発明は、プロトン伝導層に接して設けられた第
1電極、第2電極及び参照電極と、被測定ガス雰囲気及
び第1電極との間に設けられた拡散律速部と、を有し、
被測定ガス雰囲気側から拡散律速部を介して導入された
被測定ガス中の測定対象ガス(例えば水素ガス)を、第
1電極と参照電極との間の電位が一定になるように、第
1電極と第2電極との間に(限界電流を得るための十分
な)電圧を印加することにより解離又は分解もしくは反
応させ、それによって発生したプロトンをプロトン伝導
層を介して第1電極から第2電極へ汲み出すことにより
生じる限界電流に基づいて、測定対象ガスの濃度を求め
るガスセンサに関するものであり、ここでは、特に、第
1電極と第2電極とがプロトン伝導層を挟んで対向する
構造を有するとともに、拡散律速部を、第2電極の参照
電極側の端部より、参照電極から遠ざかる方向に配設し
たことを特徴としている。
Means for Solving the Problems and Effects of the Invention (1) According to the invention of claim 1, the first electrode, the second electrode and the reference electrode provided in contact with the proton conductive layer, the gas atmosphere to be measured and the first electrode A diffusion rate-controlling part provided between one electrode and
The measurement target gas (for example, hydrogen gas) in the measurement target gas introduced from the measurement target gas atmosphere side through the diffusion rate controlling part is adjusted so that the potential between the first electrode and the reference electrode becomes constant. A voltage (sufficient for obtaining a limiting current) is applied between the electrode and the second electrode to cause dissociation or decomposition or reaction, and the protons generated thereby are transferred from the first electrode to the second electrode via the proton conduction layer. The present invention relates to a gas sensor that obtains the concentration of a gas to be measured based on a limiting current generated by pumping it to an electrode. Here, in particular, a structure in which a first electrode and a second electrode are opposed to each other with a proton conductive layer interposed therebetween is used. In addition to the above, the diffusion-controlling portion is arranged in a direction away from the reference electrode from the end portion of the second electrode on the reference electrode side.

【0011】つまり、本発明では、拡散律速部を、第2
電極の参照電極側の端部より、参照電極から遠ざかる方
向に配設することにより、第1電極上で測定対象ガス
(例えば水素)がポンピングされ難い部分に(水素リッ
チ等の雰囲気から)水素等が到達する前にポンピングす
ることができるため、局所的に水素等の濃度が高い部分
が存在することを防止できる。その結果、第1電極と参
照電極とを一定の電位に制御する際に、水素等の濃度が
局所的に低い部分が発生せず、よって、メタノール等の
解離等が起こることを防止できるため、メタノール等に
よる影響を受けず、正確に水素等の測定対象ガスの濃度
を測定が可能となる。
That is, according to the present invention, the diffusion rate controlling unit is
By arranging the electrode in the direction away from the reference electrode from the end on the reference electrode side, hydrogen or the like can be provided on the first electrode where the gas to be measured (for example, hydrogen) is difficult to pump (from an atmosphere such as hydrogen rich). Can be pumped before reaching, so that it is possible to prevent the presence of a locally high concentration of hydrogen or the like. As a result, when controlling the first electrode and the reference electrode to a constant potential, a locally low concentration of hydrogen or the like does not occur, and therefore dissociation of methanol or the like can be prevented. It is possible to accurately measure the concentration of the measurement target gas such as hydrogen without being affected by methanol or the like.

【0012】(2)請求項2の発明は、拡散律速部を、
第2電極の参照電極側の端部より、参照電極から1.5
mm以上遠ざかる方向に配設したことを特徴としてい
る。つまり、拡散律速部を、参照電極に対して第2電極
の参照電極側の端部から1.5mm以上遠ざけることに
より、水素濃度の局所的な上昇を一層効果的に実現する
ことができ、これにより、水素ガス濃度等の測定精度が
大きく向上する。
(2) The invention according to claim 2 is characterized in that
From the reference electrode side end of the second electrode, 1.5
The feature is that they are arranged in a direction away from each other by at least mm. That is, by making the diffusion rate controlling part 1.5 mm or more away from the reference electrode side end of the second electrode with respect to the reference electrode, it is possible to more effectively realize the local increase in hydrogen concentration. As a result, the measurement accuracy of the hydrogen gas concentration and the like is greatly improved.

【0013】(3)請求項3の発明は、ガスセンサは、
水素ガス濃度を測定する水素ガスセンサであることを特
徴としている。本発明は、ガスセンサが、水素ガス濃度
を測定する水素ガスセンサであることを例示したもので
ある。
(3) According to the invention of claim 3, the gas sensor is
It is characterized by being a hydrogen gas sensor that measures the hydrogen gas concentration. The present invention exemplifies that the gas sensor is a hydrogen gas sensor that measures hydrogen gas concentration.

【0014】(4)請求項4の発明は、ガスセンサは、
固体高分子型燃料電池の燃料ガス中の水素ガス濃度測定
に用いられることを特徴としている。本発明は、ガスセ
ンサの用途を例示したものである。本発明により、固体
高分子型燃料電池の燃料ガス中の水素ガス濃度の測定
を、メタノール等の影響を受けずに精度良く行うことが
可能である。
(4) In the invention of claim 4, the gas sensor is
It is characterized by being used for measuring the hydrogen gas concentration in the fuel gas of a polymer electrolyte fuel cell. The present invention illustrates the application of the gas sensor. According to the present invention, it is possible to accurately measure the hydrogen gas concentration in the fuel gas of a polymer electrolyte fuel cell without being affected by methanol or the like.

【0015】尚、前記ガスセンサの構成としては、前記
プロトン伝導層、第1電極、第2電極、参照電極、及び
拡散律速部は、支持体により支持される構成を採用でき
る。また、拡散律速部としては、被測定ガス雰囲気から
拡散律速部を介してガスセンサ内に導入される被測定ガ
ス(特に測定対象ガス)の拡散を律速するものであり、
例えば支持体に開けられた孔、又はその孔に充填された
多孔体などにより実現することができる。
As the structure of the gas sensor, the proton conducting layer, the first electrode, the second electrode, the reference electrode, and the diffusion rate controlling part may be supported by a support. Further, the diffusion rate controlling part is for controlling the diffusion of the measured gas (particularly the measurement target gas) introduced into the gas sensor from the measured gas atmosphere through the diffusion controlling part,
For example, it can be realized by a hole opened in the support or a porous body filled in the hole.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】以下に、本発明のガスセンサの実
施の形態の例(実施例)について説明する。 (実施例)本実施例では、ガスセンサとして、固体高分
子型燃料電池の燃料ガス中の水素ガス濃度測定に用いら
れる水素ガスセンサを例に挙げる。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, an example (embodiment) of an embodiment of a gas sensor of the present invention will be described. (Example) In this example, a hydrogen gas sensor used for measuring the concentration of hydrogen gas in the fuel gas of a polymer electrolyte fuel cell will be described as an example of the gas sensor.

【0017】a)まず、本実施例の水素ガスセンサの構
成について、図1に基づいて説明する。尚、図1は、水
素ガスセンサの長手方向の断面図である。図1に示す様
に、本実施例の水素ガスセンサは、プロトン伝導層1の
一方の面(同図の上面)に、第1電極3が設けられ、プ
ロトン伝導層1の他方の面(同図の下面)に、第1電極
3と対向するように、第2電極5及び参照電極7が設け
られ、それらは、第1支持体9a及び第2支持体9bか
らなる支持体9中に支持されている。
A) First, the structure of the hydrogen gas sensor of this embodiment will be described with reference to FIG. Note that FIG. 1 is a longitudinal sectional view of the hydrogen gas sensor. As shown in FIG. 1, in the hydrogen gas sensor of the present embodiment, the first electrode 3 is provided on one surface (the upper surface in the same figure) of the proton conducting layer 1 and the other surface of the proton conducting layer 1 (the same figure). Second electrode 5 and a reference electrode 7 are provided so as to face the first electrode 3, and they are supported in a support 9 composed of a first support 9a and a second support 9b. ing.

【0018】つまり、プロトン伝導層1は、第1支持体
9a及び第2支持体9bに狭持され、第1電極3は、第
1支持体9aに覆われるとともにその第1凹部11a内
に配置され、第2電極5は、第2支持体9bに覆われる
とともにその第2凹部11b内に配置され、参照電極7
は、第2支持体9bに覆われるとともにその第3凹部1
1c内に配置されている。
That is, the proton conducting layer 1 is sandwiched between the first support 9a and the second support 9b, and the first electrode 3 is covered by the first support 9a and is disposed in the first recess 11a thereof. The second electrode 5 is covered with the second support 9b and is disposed in the second recess 11b of the second support 9b.
Is covered with the second support 9b and the third recess 1
It is located in 1c.

【0019】尚、水素ガスセンサを一体に構成する方法
としては、プロトン伝導層1を第1支持体9a及び第2
支持体9bにより狭持した状態で、図示しない固定部材
等で固定する構成や、樹脂等により一体に固定する方法
を採用できる。前記プロトン伝導層1は、一方の面側か
ら他方の面側に、例えば第1電極3側から第2電極5側
に、プロトン(H+)をポンピングして移動させること
ができるものである。そのプロトン伝導層1の材料とし
ては、比較的低温(例えば150℃以下)で作動するも
のが良く、例えばフッ素樹脂である「Nafion」
(デュポン社の商標)等を採用できる。
As a method of integrally forming the hydrogen gas sensor, the proton conductive layer 1 is formed by using the first support 9a and the second support 9a.
It is possible to adopt a configuration in which the support member 9b is sandwiched by the support member 9b and to fix it with a fixing member or the like not shown, or a method of integrally fixing the support member 9b with resin or the like. The proton conducting layer 1 is capable of pumping and moving protons (H + ) from one surface side to the other surface side, for example, from the first electrode 3 side to the second electrode 5 side. The material of the proton conductive layer 1 is preferably one that operates at a relatively low temperature (for example, 150 ° C. or lower), for example, “Nafion” which is a fluororesin.
(Trademark of DuPont) can be adopted.

【0020】前記第1電極3、第2電極5、参照電極7
は、例えばカーボンを主成分とする多孔質電極であり、
各電極3、5、7には、プロトン伝導層1に接する側に
Pt等の触媒層が塗布により形成されている。また、第
1電極3、第2電極5、参照電極7は、それぞれ図示し
ないリード部を介して回路に接続されており、電源(電
池)13によって、第1電極3及び第2電極5間に電圧
を印加したり、電圧計15によって、第1電極3及び参
照電極7間の電圧を測定したり、電流計17によって、
第1電極3及び第2電極5間に流れる電流を測定できる
ようになっている。
The first electrode 3, the second electrode 5 and the reference electrode 7
Is, for example, a porous electrode containing carbon as a main component,
A catalyst layer of Pt or the like is formed on each of the electrodes 3, 5, 7 by coating on the side in contact with the proton conductive layer 1. Further, the first electrode 3, the second electrode 5, and the reference electrode 7 are connected to the circuit via lead portions not shown, and are connected between the first electrode 3 and the second electrode 5 by a power supply (battery) 13. Voltage is applied, the voltage between the first electrode 3 and the reference electrode 7 is measured by the voltmeter 15, and the current is measured by the ammeter 17.
The current flowing between the first electrode 3 and the second electrode 5 can be measured.

【0021】このうち、参照電極7は、第1電極3及び
参照電極7間の電圧を一定に保つことにより、被測定ガ
ス中の水素ガス濃度を測定する際に、温度や湿度などの
外乱の影響を小さくするために用いられるものである。
尚、好ましくは、参照電極7での水素濃度をより安定化
させるために、参照電極7を自己生成基準極とするのが
良い。
Among them, the reference electrode 7 keeps the voltage between the first electrode 3 and the reference electrode 7 constant, so that when measuring the hydrogen gas concentration in the gas to be measured, disturbances such as temperature and humidity are generated. It is used to reduce the effect.
It is preferable that the reference electrode 7 be a self-generated reference electrode in order to further stabilize the hydrogen concentration at the reference electrode 7.

【0022】前記支持体11は、例えばアルミナを主成
分とするセラミックスからなる絶縁体であり、セラミッ
クス等の無機絶縁体以外に、樹脂等からなる有機絶縁体
を採用できる。この支持体11のうち、第1支持体9a
には、周囲雰囲気と第1凹部11a(従って第1電極
3)とを連通する拡散律速部19が設けられている。
The support 11 is an insulator made of, for example, ceramics containing alumina as a main component, and in addition to an inorganic insulator such as ceramics, an organic insulator made of resin or the like can be adopted. Of the supports 11, the first support 9a
Is provided with a diffusion rate controlling portion 19 that communicates the ambient atmosphere with the first recess 11a (hence the first electrode 3).

【0023】つまり、拡散律速部19は、被測定ガスで
ある燃料ガス(従って含まれる水素ガス)を第1電極3
側に導入するとともに、その拡散を律速する小さい孔
(例えば直径0.06mm)であり、第2電極5の参照
電極7側の端部Tよりも、参照電極7から離れる方向
(同図の左方向)に位置するように設けられている。詳
しくは、拡散律速部の(同図の右側の)外周端は、第2
電極5の端部Tよりも1.5mm以上左側、例えば端部
Tより8.6mm離れた位置に配置されている。
That is, the diffusion rate controlling portion 19 supplies the fuel gas (therefore contained hydrogen gas) as the gas to be measured to the first electrode 3
Is a small hole (for example, diameter 0.06 mm) that is introduced into the side of the second electrode 5 and controls the diffusion thereof, and is away from the reference electrode 7 with respect to the end T of the second electrode 5 on the side of the reference electrode 7 (left in FIG. Direction). Specifically, the outer peripheral edge (on the right side in the figure) of the diffusion-controlling part is the second
The electrode 5 is arranged on the left side of the end portion T by 1.5 mm or more, for example, at a position separated from the end portion T by 8.6 mm.

【0024】尚、拡散律速部19内の内径を設定した
り、拡散律速部19内にアルミナ等の多孔質材料を充填
することにより、拡散を律速する程度を調節することが
できる。一方、第2支持体9bには、周囲雰囲気と第2
凹部11b(従って第2電極5)に連通する例えば直径
1.7mmの空孔21が設けられている。
By setting the inner diameter of the diffusion controlling part 19 or filling the diffusion controlling part 19 with a porous material such as alumina, the degree of controlling the diffusion can be adjusted. On the other hand, the second support 9b has a surrounding atmosphere and a second
A hole 21 having a diameter of 1.7 mm, which communicates with the recess 11b (and thus the second electrode 5), is provided.

【0025】前記第1支持体9a及び第2支持体9b
は、セラミックスを含有するシートを積層し焼成して形
成されたものであり、そのシート間に例えばPt製のリ
ード部が形成されている。つまり、第1支持体9a及び
第2支持体9b内には、シート間にリード部が設けら
れ、このリード部が、前記各凹部11a〜11cの底部
に露出することにより、各電極3〜7の触媒層と反対側
に接触して、各電極3〜7との導通を確保している。
The first support 9a and the second support 9b
Is formed by stacking and firing sheets containing ceramics, and lead portions made of, for example, Pt are formed between the sheets. That is, lead portions are provided between the sheets in the first support body 9a and the second support body 9b, and the lead portions are exposed at the bottoms of the recesses 11a to 11c, so that the electrodes 3 to 7 are formed. The electrode is in contact with the side opposite to the catalyst layer to secure conduction with the electrodes 3 to 7.

【0026】b)次に、本実施例の水素ガスセンサの測
定原理及び測定手順について説明する。水素ガスセンサ
を燃料ガスにさらすと、周囲雰囲気から拡散律速部19
を通って第1電極3に到達した水素は、プロトン伝導層
1を介して、第1電極3と参照電極7との間に、水素ガ
スの濃度(詳しくは両電極3、7側における水素ガス濃
度の差)に応じた起電力を生じさせる。
B) Next, the measurement principle and measurement procedure of the hydrogen gas sensor of this embodiment will be described. When the hydrogen gas sensor is exposed to the fuel gas, the diffusion control part
Hydrogen that has reached the first electrode 3 through the proton conductive layer 1 has a hydrogen gas concentration (specifically, hydrogen gas on both electrodes 3 and 7 side) between the first electrode 3 and the reference electrode 7. An electromotive force corresponding to the difference in concentration) is generated.

【0027】そこで、第1電極3と参照電極7との間の
電位が一定に成るように、電源13により、第1電極3
と第2電極5との間に電圧を印加する。その結果、第1
電極3上で水素はプロトンに解離され、プロトンは、プ
ロトン伝導層1を介して第2電極5へ汲み出され、再び
水素となって被測定ガス雰囲気に拡散する。
Therefore, the power source 13 controls the first electrode 3 so that the potential between the first electrode 3 and the reference electrode 7 becomes constant.
A voltage is applied between the second electrode 5 and the second electrode 5. As a result, the first
On the electrode 3, hydrogen is dissociated into protons, and the protons are pumped out to the second electrode 5 via the proton conduction layer 1 to become hydrogen again and diffuse into the atmosphere of the gas to be measured.

【0028】その時、第1電極3と第2電極5との間に
流れる電流値(前記電圧を印加した場合に、ある値まで
上昇して上限となる限界電流)は、水素ガス濃度に比例
するため、その電流値を測定することによりに、水素ガ
ス濃度の測定が可能になる。ここで、参照電極7の役割
について説明する。
At that time, the value of the current flowing between the first electrode 3 and the second electrode 5 (the limit current that rises to a certain value and becomes the upper limit when the voltage is applied) is proportional to the hydrogen gas concentration. Therefore, the hydrogen gas concentration can be measured by measuring the current value. Here, the role of the reference electrode 7 will be described.

【0029】参照電極7を用いて、第1電極3と参照電
極7との間の電位が一定に成るように印加電圧を制御す
ると、第1電極3と参照電極7との間の電位が一定とな
るように第1電極3と第2電極5との間の電圧を可変と
することができるため、水素濃度が高いときには高い電
圧を印加し、水素濃度が低いときには低い電圧を印加す
るように、任意に、広範囲の水素ガス濃度において最適
な電圧を第1電極3と第2電極5との間に印加すること
ができる。これによって、精度が高く広い範囲の水素ガ
ス濃度の測定が可能になる。
When the applied voltage is controlled by using the reference electrode 7 so that the potential between the first electrode 3 and the reference electrode 7 becomes constant, the potential between the first electrode 3 and the reference electrode 7 becomes constant. The voltage between the first electrode 3 and the second electrode 5 can be made variable so that a high voltage is applied when the hydrogen concentration is high, and a low voltage is applied when the hydrogen concentration is low. Optionally, an optimum voltage can be applied between the first electrode 3 and the second electrode 5 in a wide range of hydrogen gas concentration. This makes it possible to measure the hydrogen gas concentration in a wide range with high accuracy.

【0030】また、被測定ガス中の温度やH2O濃度が
変化することによって、第1電極3と第2電極5との間
の抵抗が変化した場合においても、第1電極3と第2電
極5との間に印加する電圧を可変制御することが可能で
あるため、被測定ガス中の水素ガス、H2O、温度等に
関係する測定条件が大きく変化する場合においても、高
精度の水素ガス濃度の測定が可能となる。
Further, even when the resistance between the first electrode 3 and the second electrode 5 changes due to the change in the temperature or H 2 O concentration in the gas to be measured, the first electrode 3 and the second electrode 5 are not changed. Since it is possible to variably control the voltage applied between the electrode 5 and the electrode 5, even when the measurement conditions related to the hydrogen gas in the gas to be measured, H 2 O, temperature, etc. change significantly, it is possible to achieve high accuracy. It is possible to measure the hydrogen gas concentration.

【0031】c)次に、本実施例の水素ガスセンサの製
造方法について簡単に説明する。例えば図1に示す様
に、基台(図示せず)上に、第2支持体9bを、その第
2凹部11b側を上向きにして配置する。次に、その上
に、両側に第1電極3、第2電極5及び参照電極7を配
置したプロトン伝導層1を配置する。つまり、第2電極
5及び参照電極7が、それぞれ、第2凹部11b及び第
3凹部11c内に収容されるように配置する。
C) Next, a method for manufacturing the hydrogen gas sensor of this embodiment will be briefly described. For example, as shown in FIG. 1, the second support 9b is arranged on a base (not shown) with the second recess 11b side facing upward. Next, the proton conducting layer 1 having the first electrode 3, the second electrode 5 and the reference electrode 7 arranged on both sides is arranged thereon. That is, the second electrode 5 and the reference electrode 7 are arranged so as to be housed in the second recess 11b and the third recess 11c, respectively.

【0032】次に、第1電極3を第1凹部11aで囲む
ようにして、プロトン伝導層1上に第1支持体9aを配
置する。この状態で、即ち、第1支持体9a及び第2支
持体9bでプロトン伝導層1を挟んだ状態で、図示しな
い固定部材等で水素ガスセンサの厚み方向(同図の上下
方向)に押圧して固定し、水素ガスセンサとする。
Next, the first support 9a is arranged on the proton conductive layer 1 so as to surround the first electrode 3 with the first recess 11a. In this state, that is, in the state where the proton conductive layer 1 is sandwiched between the first support 9a and the second support 9b, a fixing member or the like (not shown) is pressed in the thickness direction of the hydrogen gas sensor (vertical direction in the figure). Fix it and use it as a hydrogen gas sensor.

【0033】尚、水素ガスセンサの側面は、例えば樹脂
等により覆われ、拡散律速部19以外からの通気ができ
ないように気密されているが、拡散律速部19以外から
の(第1電極3側への)通気ができなければ良いので、
この方法に限定されるものではない。
The side surface of the hydrogen gas sensor is covered with, for example, a resin and is hermetically sealed so that air cannot be ventilated from other than the diffusion rate-controlling portion 19. It's good if you can't ventilate
The method is not limited to this.

【0034】d)次に、本実施例の効果を確認するため
に行った実験例について説明する。この実験は、拡散律
速部の位置を変更した場合において、水素ガス濃度の測
定精度を調べたものである。 まず、本発明の範囲のものとして、前記実施例と同様
な水素ガスセンサを製造した。即ち、図2に示す様に、
原点(0)として、第2電極の参照電極側の端部Tを設
定し、拡散律速部の外周の参照電極側の端部KTが、そ
の原点より+X側(端部Tより遠ざかる方向)にある水
素ガスセンサを製造した。
D) Next, an experimental example conducted to confirm the effect of this embodiment will be described. In this experiment, the measurement accuracy of the hydrogen gas concentration was investigated when the position of the diffusion control part was changed. First, within the scope of the present invention, a hydrogen gas sensor similar to that of the above-mentioned embodiment was manufactured. That is, as shown in FIG.
The reference electrode side end T of the second electrode is set as the origin (0), and the reference electrode side end KT of the outer periphery of the diffusion-controlling portion is located on the + X side (direction away from the end T) from the origin. A hydrogen gas sensor was manufactured.

【0035】尚、拡散律速部の端部KTの位置として、
原点から0mm(No.4)、1.5mm(No.3)、
6.2mm(No.2)、8.6mm(No.1)の4つの
試料を製造した。一方、本発明の範囲外の試料として、
拡散律速部の端部KTが、原点から−X方向のもの、具
体的には、原点から−1mmのもの(No.5)を製造し
た。尚、拡散律速部の位置以外は、前記実施例と同様と
した。
As the position of the end portion KT of the diffusion rate controlling portion,
0mm (No.4), 1.5mm (No.3) from the origin,
Four samples of 6.2 mm (No. 2) and 8.6 mm (No. 1) were manufactured. On the other hand, as a sample outside the scope of the present invention,
The end portion KT of the diffusion-controlled portion was manufactured in the -X direction from the origin, specifically, -1 mm from the origin (No. 5). It should be noted that, except for the position of the diffusion-controlling portion, it was the same as the above-mentioned embodiment.

【0036】そして、上述した実施例及び比較例の水
素ガスセンサを用いて、水素ガス濃度を測定し、その際
の水素ガスセンサの精度、即ちメタノールの依存性を調
べた。測定条件は、下記の通りである。尚、ここでは、
水素ガス濃度を安定化させるために、第1電極から参照
電極に一定の微小な電流(例えば10μA)を流すこと
により、参照電極を自己生成基準極とした。
Then, the hydrogen gas concentration was measured using the hydrogen gas sensors of the above-mentioned examples and comparative examples, and the accuracy of the hydrogen gas sensor at that time, that is, the dependence of methanol was examined. The measurement conditions are as follows. In addition, here
In order to stabilize the hydrogen gas concentration, a constant minute current (for example, 10 μA) was passed from the first electrode to the reference electrode, so that the reference electrode was used as a self-generated reference electrode.

【0037】<測定条件> ・ガス組成:H2=50%、CO2=15%、H2O=1
0%、CH3OH=0%(又は5%)、N2=bal. ・ガス温度:80℃ ・ガス流量:10L/min ・設定電位Vs:150mV(第1電極と参照電極間の
設定電位で、第1電極側を正とする)具体的には、各水
素ガスセンサを用いて、前記ガス組成を有する被測定ガ
ス中の水素ガス濃度を測定する際において、第1電極と
第2電極との間に流れる電流値を測定した。
<Measurement conditions> Gas composition: H 2 = 50%, CO 2 = 15%, H 2 O = 1
0%, CH 3 OH = 0% (or 5%), N 2 = bal. -Gas temperature: 80 ° C-Gas flow rate: 10 L / min-Set potential Vs: 150 mV (set potential between the first electrode and the reference electrode, the first electrode side being positive) Specifically, each hydrogen gas sensor When measuring the hydrogen gas concentration in the measured gas having the above gas composition, the value of the current flowing between the first electrode and the second electrode was measured.

【0038】そして、CH3OH=0%時の電流値(A
0)とCH3OH=5%時の電流値(A5)と電流値比
(A0/A5)を算出した。 前記測定結果を、図3に示す。この図3は、横軸に原
点から拡散律速部(の端部KT)までの距離をとり、縦
軸に電流値比をとったものである。
Then, when CH 3 OH = 0%, the current value (A
0) and the current value (A5) at the time of CH 3 OH = 5% and the current value ratio (A0 / A5) were calculated. The measurement results are shown in FIG. In this FIG. 3, the horizontal axis represents the distance from the origin to (the end portion KT of) the diffusion rate controlling portion, and the vertical axis represents the current value ratio.

【0039】図3から、本実施例の試料No.1〜4の水
素ガスセンサ、即ち、拡散律速部の端部KTが、第2電
極の端部Tから参照電極に対して遠ざかる方向に配置さ
れたものは、そうでない比較例の試料No.5の水素ガス
センサに比べて、その電流値比、即ち、CH3OH=0
%時の電流値(感度)を1とした時のCH3OH=5%
時の電流値(感度)比が小さくなっており、その精度が
高いことが分かる。
From FIG. 3, the hydrogen gas sensors of samples No. 1 to 4 of the present embodiment, that is, the end portion KT of the diffusion-controlling portion is arranged in the direction away from the end portion T of the second electrode with respect to the reference electrode. Compared with the hydrogen gas sensor of Sample No. 5 of the comparative example which is not so, the current value ratio, that is, CH 3 OH = 0.
CH 3 OH = 5% when the current value (sensitivity) at% is 1
It can be seen that the current value (sensitivity) ratio at that time is small and the accuracy is high.

【0040】特に、X=1.5mm以上の位置にするこ
とにより、CH3OH=5%時の電流値(感度)比が一
層小さくなっていることが分かる。以上のことから明ら
かなように、拡散律速部を、第2電極の参照電極側の端
部より、参照電極から遠ざかる方向に配設することによ
り、メタノールの解離を抑制でき、精度良く水素ガス濃
度の測定を行うことができることが分かる。
In particular, it can be seen that the current value (sensitivity) ratio when CH 3 OH = 5% is further reduced by setting the position at X = 1.5 mm or more. As is clear from the above, by disposing the diffusion-controlling portion in the direction away from the reference electrode from the end portion on the reference electrode side of the second electrode, dissociation of methanol can be suppressed and the hydrogen gas concentration can be accurately measured. It can be seen that the measurement can be performed.

【0041】従って、本実施例の水素ガスセンサによ
り、固体高分子型燃料電池の燃料ガス中の水素ガス濃度
の測定を、メタノール等の影響を受けずに精度良く行う
ことが可能である。尚、本発明は前記実施例になんら限
定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲
において種々の態様で実施しうることはいうまでもな
い。
Therefore, with the hydrogen gas sensor of this embodiment, the concentration of hydrogen gas in the fuel gas of the polymer electrolyte fuel cell can be accurately measured without being affected by methanol or the like. Needless to say, the present invention is not limited to the above-mentioned embodiments, and can be carried out in various modes without departing from the scope of the present invention.

【0042】例えば前記実施例では、水素ガスセンサに
より、燃料ガス中の水素ガス濃度を測定する場合を例に
挙げたが、本発明のガスセンサは、燃料ガス中のCOの
ガス濃度を測定する場合にも適用できる。
For example, in the above-mentioned embodiment, the case where the hydrogen gas concentration in the fuel gas is measured by the hydrogen gas sensor has been taken as an example, but the gas sensor of the present invention is used when measuring the CO gas concentration in the fuel gas. Can also be applied.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 実施例の水素ガスセンサを破断して示す説明
図である。
FIG. 1 is an explanatory view showing a hydrogen gas sensor of an embodiment in a broken manner.

【図2】 実験に使用する水素ガスセンサを破断して示
す説明図である。
FIG. 2 is an explanatory view showing a hydrogen gas sensor used for an experiment in a broken manner.

【図3】 実験結果を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing experimental results.

【図4】 従来の水素ガスセンサを破断して示す説明図
である。
FIG. 4 is an explanatory view showing a conventional hydrogen gas sensor in a broken manner.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…プロトン伝導層 3…第1電極 5…第2電極 7…参照電極 19…拡散律速部 1 ... Proton conduction layer 3 ... First electrode 5 ... second electrode 7 ... Reference electrode 19 ... diffusion rate control

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 灘浪 紀彦 愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日 本特殊陶業株式会社内 (72)発明者 渡辺 昌哉 愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日 本特殊陶業株式会社内 (72)発明者 石田 昇 愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日 本特殊陶業株式会社内 Fターム(参考) 5H026 AA06 5H027 AA06 KK31    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (72) Inventor Norihiko Nadanami             14-18 Takatsuji-cho, Mizuho-ku, Nagoya City, Aichi Prefecture             Inside this special ceramics company (72) Inventor Masaya Watanabe             14-18 Takatsuji-cho, Mizuho-ku, Nagoya City, Aichi Prefecture             Inside this special ceramics company (72) Inventor Noboru Ishida             14-18 Takatsuji-cho, Mizuho-ku, Nagoya City, Aichi Prefecture             Inside this special ceramics company F-term (reference) 5H026 AA06                 5H027 AA06 KK31

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 プロトン伝導層に接して設けられた第1
電極、第2電極及び参照電極と、被測定ガス雰囲気及び
前記第1電極の間に設けられた拡散律速部と、を有し、 前記被測定ガス雰囲気側から前記拡散律速部を介して導
入された被測定ガス中の測定対象ガスを、前記第1電極
と前記参照電極との間の電位が一定になるように、前記
第1電極と前記第2電極との間に電圧を印加することに
より、解離又は分解もしくは反応させ、それによって発
生したプロトンを、前記プロトン伝導層を介して前記第
1電極から前記第2電極へ汲み出すことにより生じる限
界電流に基づいて、前記測定対象ガスの濃度を求めるガ
スセンサにおいて、 前記第1電極と前記第2電極とが前記プロトン伝導層を
挟んで対向する構造を有するとともに、前記拡散律速部
を、前記第2電極の前記参照電極側の端部より、前記参
照電極から遠ざかる方向に配設したことを特徴とするガ
スセンサ。
1. A first device provided in contact with the proton conducting layer.
An electrode, a second electrode, and a reference electrode, and a diffusion rate controlling part provided between the measured gas atmosphere and the first electrode, and introduced from the measured gas atmosphere side through the diffusion rate controlling part. The measurement target gas in the measurement target gas is applied with a voltage between the first electrode and the second electrode so that the potential between the first electrode and the reference electrode is constant. , Dissociation or decomposition or reaction, and the protons generated thereby are pumped from the first electrode to the second electrode through the proton conductive layer, and the concentration of the gas to be measured is determined based on the limiting current. In the gas sensor to be sought, the first electrode and the second electrode have a structure facing each other with the proton conductive layer interposed therebetween, and the diffusion rate-controlling portion is provided in front of an end portion of the second electrode on the reference electrode side. The gas sensor being characterized in that disposed in a direction away from the reference electrode.
【請求項2】 前記拡散律速部を、前記第2電極の前記
参照電極側の端部より、前記参照電極から1.5mm以
上遠ざかる方向に配設したことを特徴とする前記請求項
1に記載のガスセンサ。
2. The diffusion controlling part is arranged in a direction away from the reference electrode by 1.5 mm or more from an end of the second electrode on the side of the reference electrode. Gas sensor.
【請求項3】 前記ガスセンサは、水素ガス濃度を測定
する水素ガスセンサであることを特徴とする前記請求項
1又は2に記載のガスセンサ。
3. The gas sensor according to claim 1, wherein the gas sensor is a hydrogen gas sensor that measures a hydrogen gas concentration.
【請求項4】 前記ガスセンサは、固体高分子型燃料電
池の燃料ガス中の水素ガス濃度測定に用いられるもので
あることを特徴とする前記請求項3に記載のガスセン
サ。
4. The gas sensor according to claim 3, wherein the gas sensor is used for measuring a hydrogen gas concentration in a fuel gas of a polymer electrolyte fuel cell.
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US10/231,209 US20030042139A1 (en) 2001-09-03 2002-08-30 Gas sensor
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109387609A (en) * 2018-12-11 2019-02-26 贵州大学 A kind of coal mining carbon monoxide gas concentration detection alarm device

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